新しい高感度光検出器

新しい高感度光検出器

最近、中国科学院（CAS）の研究チームは、多結晶ガリウムリッチ酸化ガリウム材料（PGR-GaOX）をベースに、高感度と高応答速度を実現する新しい設計戦略を初めて提案しました。光検出器界面焦電効果と光伝導効果の結合により、関連する研究がAdvanced Materialsに掲載されました。高エネルギー光電検出器(深紫外線 (DUV) から X 線帯域まで) は、国家安全保障、医療、産業科学など、さまざまな分野で重要です。

しかし、現在のSiやα-Seなどの半導体材料は、リーク電流が大きく、X線吸収係数が低いという問題があり、高性能検出のニーズを満たすのは困難です。対照的に、ワイドバンドギャップ（WBG）半導体ガリウム酸化物材料は、高エネルギー光電検出に大きな可能性を示しています。しかし、材料側の避けられない深い準位トラップとデバイス構造の効果的な設計の欠如により、ワイドバンドギャップ半導体に基づく高感度で高速応答の高エネルギー光子検出器を実現することは困難です。これらの課題に対処するため、中国の研究チームは、PGR-GaOXに基づく焦電型光伝導ダイオード（PPD）を初めて設計しました。界面焦電効果と光伝導効果を組み合わせることで、検出性能が大幅に向上します。 PPDはDUVとX線の両方に高い感度を示し、応答速度はそれぞれ最大104A/W、105μC×Gyair-1/cm2に達し、同様の材料で作られた従来の検出器の100倍以上です。さらに、PGR-GaOX空乏層の極性対称性に起因する界面焦電効果により、検出器の応答速度は105倍の0.1msまで向上します。従来のフォトダイオードと比較して、自己発電モードPPDSは光スイッチング時の焦電場によって高いゲインを実現します。

さらに、PPDはバイアスモードで動作することができ、ゲインはバイアス電圧に大きく依存し、バイアス電圧を高くすることで超高ゲインを実現できます。PPDは、低消費電力かつ高感度な画像強調システムへの応用に大きな可能性を秘めています。本研究は、GaOXが有望なデバイスであることを証明するだけでなく、高エネルギー光検出器材料だけでなく、高性能の高エネルギー光検出器を実現するための新しい戦略も提供します。